超疏水“鎧甲”如何煉成？接觸角測量儀揭示棉織物的華麗蛻變
發布時間：2025-12-16分享至：
在紡織材料的世界里，棉布因其柔軟、透氣、可降解而備受青睞，但其天生的“親水性”卻限制了它在雨雪、油污等嚴苛環境中的應用。如何讓溫和的棉布穿上超疏水的“鎧甲”，實現自我清潔、油水分離等高級功能，成為科研與產業界共同關注的焦點。
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近期，東華大學的研究團隊在《Chemical Engineering Journal》上發表了一項創新成果，他們通過兩步法——接枝縮合與自由基共聚，成功賦予棉織物超疏水性能。這項研究中，一項看似“不起眼”卻至關重要的儀器——接觸角測量儀，成為了評估與優化這一“鎧甲”性能的“眼睛”。
一、定義“超疏水”——接觸角量化性能
什么是超疏水？僅憑肉眼觀察“水珠不濕”是遠遠不夠的，需要精準的量化指標。研究團隊使用接觸角測量儀對改性后的棉布（CF-VMS-DH）進行了系統測量。
關鍵數據揭示：
- 靜態接觸角高達163°：水珠在織物表面幾乎呈完美的球體，表明其極端的疏水特性。
- 滑動角低至7°：極小的傾斜角度即可讓水珠滾落，證明表面同時具有低粘附性。
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圖1. CF- VMS -DH的疏水性。(a) VMS 與 DMAM 的摩爾比和(b) HFBMA 與 DMAM 的摩爾比對CF- VMS -DH疏水性的影響。(c) 疏水性隨時間的變化及(d) 水滴的相應數字圖像。(e) 水和油在CF- VMS -DH上的數字圖像。(f) 各種液滴（牛奶、茶、咖啡、染料）在CF- VMS -DH上的數字圖像。(g) CF- VMS -DH浸入水中顯示銀鏡現象的數字圖像。（h-i）水滴從傾斜的CF- VMS -DH表面滾落的數字圖像。
二、優化“配方”——接觸角指導工藝
如何獲得最佳的超疏水效果？研究團隊通過系統調整VMS、HFBMA、DMAM三種單體的摩爾比，并利用接觸角測量儀對每一組樣品進行快速、準確的性能反饋。
儀器如何驅動優化：
1. ?固定HFBMA與DMAM，增加VMS比例，接觸角從134°升至163°，滑動角從27°降至7°。儀器數據直觀顯示，更多乙烯基的接枝帶來了更致密的疏水層。
2. ?在最佳VMS比例下，調整HFBMA（含氟單體）的用量，接觸角進一步提升并最終穩定在163°左右。
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三、考驗“鎧甲”耐久性——接觸角評估穩定性
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一件優秀的“鎧甲”不僅要初始性能強，更要經久耐用。接觸角測量儀在此扮演了耐久性“裁判官”的角色，對改性織物進行了一系列嚴苛測試后的性能追蹤：
- 耐磨擦測試：經過150次砂紙摩擦后，接觸角仍保持在144°以上（使用600目砂紙）。
- 耐洗滌測試：經歷30次標準洗滌后，接觸角依然高達150°。
- 耐環境測試：在有機溶劑、強酸強堿（pH 1-11）、紫外線長期照射、高溫（160°C）處理后，接觸角均能保持在150°以上。
每一次測試后，接觸角測量儀提供的關鍵數據，都直接、客觀地證明了由化學鍵合構建的疏水層具有非凡的機械穩固性和化學穩定性，遠超物理涂覆等傳統方法。
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圖2. CF- VMS -DH在不同條件下的穩定性。CF- VMS -DH在(a)浸入各種有機溶劑后，(b)暴露于不同pH值的水溶液后，(c)不同紫外線照射時間后，以及(d)不同溫度熱處理后的接觸角和滑動角。
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四、驗證“實戰”功能——接觸角關聯應用
超疏水的最終價值在于應用。研究進一步將其用于自清潔和油水分離。
- 自清潔演示：視頻中，滴落的水珠能輕松帶走表面的普魯士藍粉末，接觸角測量儀所驗證的低滑動角是實現這一“滾落清潔”效果的理論基礎。
- 油水分離性能：在長達20次的循環分離測試中，分離效率始終高于98%。與此同時，研究團隊持續監測分離后織物的接觸角，發現其仍保持在150°以上。這證實了材料在實用中的可靠性與可重復使用性。
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五、總結：接觸角測量儀——超疏水材料研發的“標尺”與“燈塔”
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本項研究清晰地展示了接觸角測量儀在功能性紡織品研發全流程中的核心價值：
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1. ?性能標尺：精準定義“超疏水性”，將定性描述轉化為可比較的量化數據（接觸角/滑動角）。
2. ?優化指南：快速反饋不同工藝參數下的性能變化，指導研發方向，加速配方優化。
3. ?質量哨兵：系統評估材料在摩擦、洗滌、化學腐蝕、光照、高溫等極端條件下的耐久性，為產品可靠性提供關鍵數據支撐。
4. ?應用橋梁：將基礎表面性能（疏水性）與實際應用效果（自清潔效率、油水分離效率）科學關聯。
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從實驗室的精密優化到最終產品的性能保證，接觸角測量儀始終是連接微觀表面結構與宏觀應用性能不可或缺的關鍵儀器。它為開發下一代高性能紡織材料、防水涂層、防污表面等提供了可靠的分析手段。
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DSA-X Plus 專家型接觸角測量儀
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由貝拓科學自主研發設計生產的光學接觸角測量儀，內置五種分析算法，涵蓋全角度范圍測量，其中YoungLaplace擬合方法為貝拓獨家，針對120°以上角度具有更為精準的測分析方法，尤其在150°甚至160°以上角度擬合效果更佳。
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更多詳細，請參考原文：
Liu, Jianlei, et al. “Durable and Superhydrophobic Cellulose-Containing Fabrics for Self-Cleaning and Oil-Water Separation.” Chemical Engineering Journal, vol. 525, 2025, p. 170129. doi:10.1016/j.cej.2025.170129.